08.12.2017 Aufbruch im Internet of Things (IoT)

Das steckt hinter Low-Power Wide-Area (LPWA)

Von: Christian J. Pereira*

Immer mehr Mittelständler vernetzen ihre Geräte – von der Heizung über das Medizingerät bis zur Industriemaschine. Damit wird es voll auf der Datenautobahn. Neue Funktechnologien rund um Low-Power Wide-Area (LPWA) sollen dabei die schnelle Übertragung von Sensordaten sicherstellen.

Low-Power Wide-Area (LPWA) für das IoT

Unter dem Dachbegriff „Low-Power Wide-Area (LPWA)“ entstehen momentan verschiedene Technologien, die schnelle Übertragungen im Internet der Dinge ermöglichen sollen.

Aktuell schätzen Analysten, dass im Jahr 2020 im Internet of Things (IoT) weltweit mehr als 20 Milliarden Geräte vernetzt sein werden, also dreimal mehr als Menschen auf der Erde leben. Das ist mit der heutigen Infrastruktur nicht mehr zu stemmen, da die Gerätevernetzung neben der Kapazität auch neue Leistungsmerkmale erfordert. Vor diesem Hintergrund entsteht derzeit unter dem Dachbegriff „Low-Power Wide-Area (LPWA)“ ein vielfältiges Angebot verschiedener Technologien.

Hinter LPWA verbergen sich unterschiedliche Angebote und Funktechnologien, deren Betrieb mit wenig Energie möglich ist („low power“) und die mittels Antennen große Gebiete von mehreren Kilometern Radius abdecken können („wide area“). Neben der großen Reichweite versprechen die Technologien zudem eine gute Gebäudedurchdringung – bis in die Kellergeschosse. Je nach Anbieter können so vom Campus bis hin zur internationalen Abdeckung kleine und große Gebiete versorgt werden. Für den Raum Deutschland bzw. Europa sind vor allem die Technologien Sigfox, LoRa und Narrowband-IoT (NB-IoT) interessant.

Der Aufbau und Betrieb von Sigfox und LoRa erfolgt im lizenzfreien ISM-Band im Frequenzbereich 868MHz. Da Sigfox unter den Bedingungen der Sigfox-Allianz angeboten wird, ist auch ein internationales Roaming zwischen Netzen möglich. Dies macht das Angebot auch für Anwendungen wie eine internationale Warenverfolgung interessant.

Eher national oder lokal zu sehen sind die LoRa-Angebote. Weniger als ein Dutzend Antennenstandorte mit Strom und Internetzugang sind hier ausreichend, um etwa eine Großstadt flächendeckend zu versorgen. Die hiermit einhergehenden, geringen Infrastrukturanforderungen und überschaubaren Kosten, lassen insbesondere Städte und Kommunen über den Aufbau eigener Netze nachdenken.

Im Unterschied zu den erstgenannten Technologien operiert NB-IoT im lizenzierten Frequenzbereich der Mobilfunknetze und ist damit quasi eine Erweiterung des öffentlichen Mobilfunks um einen neuen Dienst, der auf die Maschinendatenübertragung optimiert ist. Auch wenn im Kern die bestehenden Netze und Antennen genutzt werden, so adressieren die Produktmerkmale von NB-IoT die Möglichkeit eines Batteriebetriebs, die Abdeckung auch von Kellergeschossen und dies bei vergleichsweise geringen Datenübertragungsgeschwindigkeiten sowie die Anschaltung diverser Sensoren, welche Daten oder Zustände nicht permanent übertragen. Aufgrund der gegenüber der Datenübertragung im LTE deutlich geringeren Belastung der Mobilfunknetze, können die Kunden Preisvorteile erwarten.

Anforderungen der IoT-Praxis

Trotz der angeboten, zusätzlichen Optionen in Funktion und Preis ist und bleibt eine Anforderungsanalyse des jeweiligen Anwendungsfalls zentral. Denn während beispielsweise viele Smart-City-Anwendungen – von der Parkraumüberwachung bis zur Füllstandsmessung bei Mülltonnen – zweifelsohne von LPWA profitieren werden, fordern andere Anwendungen Leistungsmerkmale, die LPWA nicht abdeckt. In der Fertigung etwa sind in der Regel sehr schnelle und verlässliche Durchlaufzeiten (Echtzeitkommunikation) gefordert, im medizinischen Bereich benötigt beispielsweise ein EKG eine hohe Datenübertragungsrate. Hierfür ist LPWA nicht ausgelegt und kommt daher als Technologie nicht in Frage.

In anderen Anwendungsfällen ist auch die Sensorik des Handys gefragt, um zum Beispiel Ortungsinformationen zu erhalten. Hier eignen sich wiederum Verfahren, die eine Verbindung zum Handy aufbauen. Nicht zuletzt sind auch die Kosten zu kalkulieren. Die LPWA-Verfahren sind günstig um einzelne Sensoren eines Systems anzuschließen, allerdings fallen dann auch je Gerät/Sensor Kommunikationskosten an. Hier gilt zu prüfen, ob die Bündelung mehrerer Sensoren über sogenannte Gateways im Feld, welche Daten sammeln und an eine zentrale Datenplattform übertragen, günstiger ist.

So lautet die Bewertung der Angebote

LPWA ist eine interessante Bereicherung des Angebotes für die Vernetzung im Internet der Dinge. Bezüglich der Flächendeckung können die Mobilfunker höchstwahrscheinlich von ihrem Vorteil der bereits vorhandenen Infrastruktur profitieren. Dabei ist zu erwarten, dass sich schnell auch internationale Roaming-Möglichkeiten ergeben werden. Da die Modulkosten aktuell noch relativ hoch sind, ist bis zu einem Preisverfall mit wirklichen Massenanwendungen nicht zu rechnen. Attraktiv ist dieses Angebot jedoch für Anwender, die hohe Anforderungen an die geografische Verfügbarkeit und ggf. auch an eine mobile Nutzung haben.

Sigfox bietet schon heute auch eine internationale Abdeckung an, wobei das Netz gerade in Deutschland noch nicht flächendeckend ausgebaut ist. Das Konsortium investiert aber erheblich in den Netzaufbau. Die Hardware ist relativ kostengünstig verfügbar, zudem können spezialisierte Entwickler bei der Umsetzung behilflich sein.

Die geringsten Eintrittsbarrieren hat der Aufbau eines LoRa-Netzes, wodurch dies gerade für Campus oder regionale Anwender attraktiv ist. Denn hierfür gibt es sehr kostengünstige Hardware, was sich auch in günstige Preise für die Nutzer umsetzen lassen sollte. Unklar ist, ob wirklich flächendeckende Angebote entstehen werden und wie sich der parallele Betrieb unterschiedlicher LoRa-Netze auf die Verbindungsqualität auswirken wird. Dies wird insbesondere dann relevant, wenn sehr viele Geräte um die limitierte Bandbreite konkurrieren.

Generell sind LPWA-Technologien für bestimmte IoT-Anwendungen zweifelsohne attraktiv. Dabei ist das vielfältige Angebot aus Anwendersicht zu begrüßen. Kosten, Stromverbrauch und Reichweite sind die wesentlichen Faktoren, aber auch Überlegungen wie: In welcher Region erfolgt der Einsatz? Werden hohe Datengeschwindigkeiten benötigt oder muss eine Abwärtskompatibilität gewährleistet werden? treiben die Entscheidung. Greifen solche Rahmenbedingungen, bieten die bestehenden Angebote, insbesondere durch die M2M-Angebote der Mobilfunker, bereits gute Lösungen. Da jedoch davon auszugehen ist, dass bis zu einer ausreichenden Flächendeckung noch einige Zeit vergehen wird, raten Experten wie etwa die Q-loud GmbH für einen schnellen Start durchaus auch zur Prüfung von Alternativen wie WLAN, Bluetooth oder auch Verbindungen im nicht lizenzierten ISM-Band. Wesentlich bleibt in jedem Fall eine sorgsame, vorangestellte Anforderungsanalyse.

* Der Autor Christian J. Pereira ist Geschäftsführer bei der Q-loud GmbH in Köln.

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